用海藻酸钠改性PCC提高纸张施胶度和抗张强度

用海藻酸钠改性PCC提高纸张施胶度和抗张强度
丁明曌;刘温霞
【摘要】采用海藻酸钠对沉淀碳酸钙(PCC)进行改性,研究了改性PCC填料加填纸张的施胶度和抗张强度.结果表明,海藻酸钠改性PCC的最佳改性工艺条件为:海藻酸钠与PCC质量比为1∶140,改性时间为5 min,硫酸铝的用量(相对于PCC)为2％,在此最佳实验条件下获得的海藻酸钠改性PCC可以显著地提高其加填纸张的施胶度和抗张强度.%Adding calcium carbonate fillers in paper products can save energy and cost,improve paper properties,and increase productivities. In this paper,sodium alginate was employed to modify precipitated calcium carbonate (PCC) ,the sizing performance and tensile property of the papers filled with the modified PCC were investigated. The results indicated that PCC modified by sodium alginate can remarkably enhance the sizing performance and tensile property of PCC filled paper when the conditions are as follows: the mass ratio of sodium alginate to PCC is
1:140,agitating time is 5 min,and the amount of aluminum salt is 2% on PCC.
【期刊名称】《中国造纸》
【年(卷),期】2012(031)009
【总页数】4页(P15-18)
【关键词】海藻酸钠;沉淀碳酸钙;施胶;抗张强度
【作者】丁明曌;刘温霞
【作者单位】山东轻工业学院制浆造纸科学与技术教育部重点实验室,山东济
南,250353;山东轻工业学院制浆造纸科学与技术教育部重点实验室,山东济
南,250353
【正文语种】中文
【中图分类】TS727+.2
纸张加填可显著降低造纸成本，改善纸品的光学性质、印刷性能和降低造纸能耗，一些特殊填料如磁性填料及具有光催化、抑菌、导电、阻燃性质的填料等，还可用于相应功能纸制品的生产［1］。

因此，填料在纸张生产中占有重要地位。

但是，当使用矿物填料 (如沉淀碳酸钙，PCC)时，加填不仅影响纸张的施胶，还有碍纸张纤维与纤维之间的氢键结合，降低纸张强度［2］。

一般采用对填料进行表面改性的方法来减小其负面影响［3-7］。

其中的包覆改性不仅可降低填料对纸张强度的不利影响，在某些情况下还可改善纸张的施胶性能［6］。

目前常用的包覆改性材料主要为天然多糖类，如淀粉、纤维素、壳聚糖及其衍生物。

海藻酸盐也是一种天然多糖，主要来源于海洋褐色藻类，是由G单元(α-L-古罗糖醛酸)和M单元(β-D-甘露糖醛酸)通过1-4糖苷键以MM段、GG段和MG段3
种方式连接而成的一种无支链的线性嵌段高分子化合物，可以与二价以上金属离子形成盐而凝固，最典型的是与钙离子交联形成网状结构，形成强度与弹性俱佳的凝胶。

由于海藻酸钠具有持水性、凝结性、高黏性和稳定性，且成膜性好、无毒无害，原料丰富易得，价格低廉，使它广泛用于生物、医药、食品等许多行业［8-10］。

本实验利用海藻酸钠与二价以上金属离子形成盐而凝固的特性，用海藻酸钠对PCC进行改性，分析了海藻酸钠与PCC之间的结合方式，探讨了改性PCC加填
对纸张施胶度和抗张强度的影响。

1 实验
1.1 原料
海藻酸钠购自国药集团化学品有限公司;PCC(1250目)取自山东某厂;相对分子质量为800万的阳离子聚丙烯酰胺 (CPAM)为汽巴精化股份有限公司产品;杨木BCTMP浆取自山东华泰纸业股份有限公司;助留用膨润土为钙基膨润土原矿经氟化钠改性、提纯制备而得，改性和提纯方法见参考文献［14］;ASA为十八到二十二烯基琥珀酸酐的混合物，购自凯米拉化学品有限公司，工业级;乳化剂羧甲基纤维素 (CMC)购自石家庄创兴纤维素有限公司。

其他药品均为分析纯。

1.2 实验方法
1.2.1 海藻酸钠对PCC的改性
将PCC在剪切乳化机的剪切搅拌下分散于水中，加入一定量的质量分数为0.8%的硫酸铝溶液，接着加入一定量质量浓度为10 g/L的海藻酸钠溶液，在一定转速下继续搅拌一定的时间，再将混合物过100目筛。

通过筛网的PCC悬浮液即为海藻酸钠改性PCC。

1.2.2 纸样抄造及施胶度、抗张强度的测定
将用CMC乳化好的ASA乳液 (CMC用量为4%，相对ASA质量)稀释到一定程度用于浆内施胶。

将杨木BCTMP浆稀释成质量分数为1%的浆料，在750 r/min 的搅拌速率下每隔60 s向浆料中分别加入用量 (对绝干浆质量，下同)为1%的硫酸铝、用量为0.6%的稀释好的ASA乳液、用量为0.05%的CPAM，混合60 s后提高搅拌速率至1250 r/min，高速剪切60 s。

然后将转速调到750 r/min，再加入0.2%用量的膨润土，继续搅拌60 s。

混合均匀后利用凯赛法PFI抄片器抄造定量为60 g/m2的手抄片。

采用GB/T5405—2002液体渗透法测定手抄片的施胶度。

纸张抗张强度按照GB/T 453—1989采用长春纸张实验机厂生产的ZL-100A 型摆锤式抗张测试仪测定。

2 结果与讨论
2.1 海藻酸钠与PCC的质量比对PCC加填纸张的施胶度及抗张强度的影响
海藻酸盐中含有大量的羟基和羧基，通过钙离子和铝离子形成凝胶并包覆于PCC
表面，可以为纸张纤维和填料之间提供氢键结合，增强纸张的抗张强度。

同时，改性填料加填进纸张中之后，改性填料中含有的羟基可以提供部分与ASA施胶剂的
结合点，使施胶剂不仅可以与纸张中的纤维结合，还可以与改性填料中的羟基结合，有利于施胶剂的均匀分布、固着和定向，提高纸张的施胶度。

图1和图2所示分
别为海藻酸钠与PCC的质量比对纸张施胶效果和抗张强度的影响。

改性时剪切乳
化机的转速为5000 r/min，改性时间为5 min，用CMC乳化的ASA作为施胶剂。

由图1可以看出，用海藻酸钠改性PCC时，随着海藻酸钠用量的增加，纸张的施胶度呈现先增大后减小的趋势，在海藻酸钠与PCC的质量比为1∶140时达到最
大值。

这是因为在海藻酸钠与PCC质量比为1∶140时，海藻酸钠能完全沉积并
包覆于PCC填料的表面，形成良好的包覆改性，但又没有多余的游离海藻酸钠干
扰施胶。

当海藻酸钠与PCC质量比大于1∶140时，由于海藻酸钠分子之间的竞争，促使海藻酸钠以较为伸出的构象吸附在PCC的表面，使PCC颗粒发生聚集，同时未通过化学吸附固着于Ca-CO3表面的海藻酸钠作为阴离子聚电解质还干扰ASA的施胶，降低纸张的施胶度。

海藻酸钠与PCC质量比小于1∶140时，海藻
酸钠未能完全包覆于PCC填料的表面，提高海藻酸钠加入量，还能进一步提高纸
张的施胶效果。

由图2可以看出，用海藻酸钠改性PCC时，改性PCC加填纸张的抗张强度均比未改性填料加填纸张的高。

证实了用海藻酸钠改性PCC时，沉积并
包覆于PCC填料表面的海藻酸钠，可在填料与纤维之间提供氢键结合点，提高纸
张的抗张强度。

2.2 改性时间对PCC加填纸张施胶度及抗张强度的影响
图3和图4所示分别为改性时间对海藻酸钠改性PCC填料加填纸张施胶效果和抗张强度的影响。

改性时海藻酸钠与PCC的质量之比为1∶140，其他条件同图1和图2。

由图3和图4可以看出，随着改性时间的延长，加填改性填料的纸张施胶
度和抗张强度先提高后降低，并在5 min时达到最大值。

改性时间超过5 min后，纸张的施胶度和抗张强度出现下降趋势。

这是因为，随着改性时间的延长，PCC
有足够的时间来与海藻酸钠混合并且促使海藻酸钠对PCC填料表面的包覆;改性时间超过5 min后，长时间的高速剪切，使吸附于PCC上的海藻酸钠发生解吸，加填纸张的施胶度和抗张强度随之降低。

2.3 硫酸铝用量对海藻酸钠改性PCC加填纸张的施胶度及抗张强度的影响
图5和图6所示分别为硫酸铝用量对海藻酸钠改性PCC填料加填纸张施胶度和抗张强度的影响，其中改性时间为5 min，其他条件同图3和图4。

由图5和图6
可以看出，用海藻酸钠改性PCC时，开始随着硫酸铝用量的增加，纸张的施胶度
和抗张强度随之提高，并在硫酸铝相对于PCC用量为2%时达到最大值，硫酸铝
用量超过2%后，纸张的施胶度和抗张强度出现下降趋势。

这是因为，随着硫酸铝用量的增加，体系中的金属离子增多，更多的海藻酸钠与体系中的Ca2+和Al3+
结合，形成三维网状结构，沉积并包覆于PCC填料表面，可在填料与纤维之间提
供更多的氢键结合点，提高纸张的抗张强度和施胶性能。

硫酸铝相对于PCC用量
超过2%之后，由于体系中存在着过量的金属离子，海藻酸钠与其快速结合，形成颗粒大的凝胶，凝胶颗粒的增大，使得覆盖纤维表面的面积减小，影响纸张的施胶度和抗张强度。

2.4 海藻酸钠改性PCC的红外光谱分析
Ca2+和Al3+都有可能使海藻酸钠发生交联，前者可使海藻酸钠直接通过Ca2+结合于PCC填料表面，后者则可通过交联提高海藻酸钠在PCC填料表面的吸附性能。

在前面的改性实验中也发现，加入适量铝盐可显著提高海藻酸钠改性PCC加填纸
张的施胶度和抗张强度，为此，首先对海藻酸钠与PCC的结合进行了红外光谱分析。

图7是海藻酸钠改性PCC(海藻酸钠与PCC的质量比为1∶140)的红外光谱图。

改性后的PCC红外图谱中，在1647 cm－1处出现了一个新的吸收峰，该吸收峰属于海藻酸盐的—COO不对称伸缩振动吸收峰，但较海藻酸钠和海藻酸钙的相应吸收峰明显地向高波数方向移动［12］，说明海藻酸钠与PCC发生了化学吸附，但不只是通过与Ca2+形成简单的离子键吸附于PCC表面，而是在所吸附的海藻
酸盐中由于 Al3+的作用，破坏了海藻酸盐中—COO与Ca2+之间的作用力，促
使吸收峰向高波数方向移动。

图7 海藻酸钠改性PCC的红外光谱图
3 结论
采用海藻酸钠对沉淀碳酸钙 (PCC)进行改性处理。

优化选出了海藻酸钠改性PCC
的最佳工艺条件为:海藻酸钠与PCC的质量比为1∶140、改性时间为5 min、硫
酸铝相对于PCC的用量为2%。

用在此最佳工艺条件下改性的PCC加填抄造的纸张其施胶度和抗张强度均显著提高。

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